Científicos han observado cómo dos ejércitos de bacterias del cólera se apuñalaban entre sí con apéndices venenosos parecidos a arpones, haciendo estallar a sus víctimas como globos de agua.
Sus hallazgos podrían dar lugar con el tiempo a nuevas terapias dirigidas para combatir infecciones. Sin embargo, en ese escenario las bacterias que se enfrentan no serían las que causan la infección, sino el remedio.
En teoría, bacterias asesinas especialmente modificadas y compatibles con los seres humanos podrían matar bacterias dañinas y, al mismo tiempo, preservar las hordas de microbios que mantienen sanas a las personas. En cambio, los antibióticos que usamos hoy aniquilan por igual las bacterias dañinas y las beneficiosas.
«Si se pudiera actuar contra las bacterias dañinas del intestino humano, se podrían usar bacterias modificadas como antibiótico vivo», afirma Brian Hammer, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Biológicas de Georgia Tech. Advierte: «Todavía estamos muy lejos de lograrlo».
Pero para aprovechar las bacterias en la medicina o la industria, o simplemente para entender mejor cómo prosperan y se propagan, es útil determinar la consistencia de sus acciones a lo largo del tiempo. Ahí es donde entran las matemáticas.
Los investigadores aplicaron a las bacterias ecuaciones de la física ya existentes, desarrolladas para describir con precisión las interacciones entre átomos y moléculas. Descubrieron que esos cálculos también podían predecir con precisión que, al encontrarse en el campo de batalla, dos ejércitos de bacterias del cólera se separarían en fases, como el aceite y el agua.
«Los modelos predijeron casi exactamente cuándo se produciría la separación de fases, y luego observamos que ocurría tal como indicaban las matemáticas», afirma Hammer. Los modelos predictivos se basaban en una ecuación llamada «Modelo A».
«Empíricamente, se ha utilizado para describir metales que experimentan una separación de fases», afirma Hammer. «El tipo de curva que observamos al describir nuestros resultados nunca se había utilizado antes para describir sistemas vivos».
Para esta investigación, Hammer y los biólogos Will Ratcliff, profesor asistente, y Samuel Brown, profesor asociado, colaboraron con Peter Yunker, profesor asistente de la Facultad de Física de Georgia Tech. Presentan sus resultados en la revista Nature Communications.
El cólera en los caparazones de cangrejo
Las bacterias del cólera suelen encontrarse en el agua, adheridas junto con otros microbios a los caparazones de cangrejos y kril diminuto. Quienes beben esa agua pueden morir en cuestión de horas debido a los intensos vómitos y la diarrea que causan los gérmenes. La idea de aplicar matemáticas al enfrentamiento entre bacterias del cólera surgió de cómo luchan por el territorio en los caparazones de cangrejo, que contienen una sustancia llamada quitina que activa la función de arpón en Vibrio cholerae. Sin quitina, no hay apuñalamientos.
«Estaba estudiando este asombroso sistema biológico», afirma Hammer, «y buscaba una manera de visualizarlo». Ratcliff y Yunker habían estado aplicando la microscopía y las matemáticas al estudio de la dinámica de la evolución de las levaduras, y sugirieron a Hammer que probara el método.
Pero antes de abordar las matemáticas en sí, es importante entender algunas cosas sobre Vibrio cholerae. En primer lugar, la mayoría de los microbiólogos creen que las bacterias del cólera usan los arpones para matar a las bacterias rivales, no para destruir células humanas.
Esta arma venenosa se llama sistema de secreción tipo VI (T6SS) y es común. «Este sistema de arpones está presente en aproximadamente una cuarta parte de las bacterias gramnegativas», afirma Hammer. «Así que estos duelos bacterianos ocurren a tu alrededor».
Las bacterias gramnegativas tienen paredes más delgadas, que se pueden perforar con mayor facilidad. Las bacterias grampositivas tienen paredes más gruesas y menos susceptibles a los arpones, y las células humanas quizá sean aún más difíciles de penetrar.
Además, el mecanismo de apuñalamiento no se limita a patógenos como el cólera. Muchas bacterias inofensivas también lo utilizan. Sin embargo, se sabe más sobre este mecanismo en los patógenos porque, según Hammer, las bacterias dañinas son objeto de estudios científicos con mayor frecuencia que las inofensivas.
Asesinas y colaboradoras
Las bacterias del cólera que usan arpones apuñalan al azar a todas las bacterias con las que entran en contacto, incluidas las de su propia especie, pero Vibrio cholerae de la misma cepa son inmunes a los ataques mutuos. Así que matan a sus enemigas, pero no a las de su propia especie.
La matanza también parece ir de la mano de un comportamiento social cooperativo. Los investigadores descubrieron que las bacterias que matan bien en equipo también comparten entre sí y forman comunidades eficazmente.
Todo empieza por crear una reserva común de alimento. «Las bacterias realizan gran parte de su digestión fuera de sus células», afirma Hammer. Pero dejar toda esa comida al alcance de cualquiera es arriesgado.
«Se necesita una estrategia para garantizar que todo el esfuerzo de masticar y digerir los alimentos beneficie a uno mismo y a sus parientes, y no a alguien que venga a saquearlos». Cuando una cepa de bacterias mata a los invasores, conserva los frutos de su trabajo, se multiplica y transmite sus genes.
Luke McNally, investigador posdoctoral de Brown, examinó los genomas de muchos tipos de bacterias —además de las del cólera— que usan arpones venenosos. Algunas cepas tenían seis o siete arpones, y algunos arpones contenían varios venenos. También parecía haber una correlación entre las armas y la cooperación.
«Descubrimos que cuanto más armamento tenía una cepa bacteriana en su genoma, más parecía dispuesta a compartir», afirma Hammer.
El «modelo del aderezo para ensaladas»
Al observarlas al microscopio, las cepas de bacterias enfrentadas sí parecían un poco gotas de aceite y agua separándose sobre una superficie plana. Se tiñeron de dos colores distintos, rojo y azul, para poder distinguirlas.
«Empezamos con dos cepas bien mezcladas», afirma Hammer. «En broma, lo llamamos el modelo del aderezo para ensaladas, porque agitas aceite y agua, se mezclan bien, lo dejas reposar y se separan en fases».
Cuando están bien mezcladas, las dos cepas de cólera parecen una sola masa morada; pero, a medida que se matan entre sí y conquistan territorios separados, se dividen en manchas rojas y azules.
Hay diferencias importantes entre el funcionamiento de los sistemas químicos y los sistemas vivos. Por ejemplo, las bacterias también se reproducen y se multiplican; las moléculas, no. Pero las matemáticas básicas que funcionaban para los materiales también funcionaron para las bacterias.
«En el intestino hay muchas bacterias útiles que son grampositivas», afirma Hammer. «Pero podría haber un pequeño número de bacterias gramnegativas que alteren la comunidad intestinal, y quizá unas bacterias modificadas con lanzas pudieran eliminar solo esas gramnegativas».
Además, se podría administrar junto con bacterias asesinas una sustancia externa como la quitina, que activa la función de arpón en las bacterias del cólera, para activar sus armas y luego desactivarlas cuando desaparezca la quitina.
La financiación provino de la National Science Foundation, el programa de Exobiología de la NASA, la Gordon and Betty Moore Foundation, el Wellcome Trust y el Human Frontier Science Program.
